哈工大器件原理第六章JFET
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
3
第六章 结型场效应晶体管
6.1 JFET的基本工作原理
1. JFET的基本结构 2. JFET的基本工作原理 3. JFET的特性曲线 4. MESFET
6.2 JFET的直流特性与低频小信号参数
1. 肖克莱理论和JFET的直流特性 2. JFET的直流参数 3. JFET交流小信号参数 4. 非均匀沟道杂质浓度分布 6. 高场迁移率的影响 7. 关于沟道夹断和速度饱和 8. 串联电阻的影响
①假定沟道中电场、电位和电流分布均可用缓变沟道近似，
(即沿沟道方向缓慢变化) ②认为漏极电流饱和是由于沟道夹断所引起。
19
6.2 JFET的直流特性与低频小信号参数
1. 肖克莱理论和JFET的直流特性
为了分析简单起见做了一些可以修正的假设，其主要假设如 下(以n沟JFET为例)： (1)忽略源接触电极与沟道源端之间、漏接触电极与沟道漏端 之间的电压降； (2)忽略沟道边缘扩展开的耗尽区，源极和漏极之间的电流只 有y分量； (3)p+栅区与n型沟道区杂质浓度NA、ND 都是均匀分布的，且 NA>>ND，即栅结为单边突变结；
(4)栅结耗尽区中沿垂直结平面方向的电场分量 Ex与沿沟道长
度方向使载流子漂移的电场分量Ey无关，且满足 E x
x E y y
，此即缓
变沟道近似(GCA)；（沟道电荷密度远小于耗尽层电荷密度）
(5)载流子迁移率为常数，与沟道中电场强度无关。
20
6.2 JFET的直流特性与低频小信号参数
6.2 JFET的直流特性与低频小信号参数
2. JFET的直流参数
最大饱和漏极电流IDSS
I Dsat
VGS=VD时的漏极电流，又称最大漏 源饱和电流。
2 2a 3W n q 2 N D 3h12 2h13 [1 2 3 ] 6 0 L a a
VD VGS VD VGS 3 2 I DSS [1 3( ) 2( ) ] V p0 V p0 I DSS 2a W n q N 6 0 L
2 0 (VD V p ) qN D
] a
1 2
qN D a 2 VD V p 2 0
N或a越大， Vp 的 绝 对 值 将越大，即沟 道越难夹断。
本征夹断电压 Vp0=VD-Vp表示整个沟道由栅源电压夹断时，栅p夹断电压VP
n结上的电压降，为区别起见，称为本征夹断电压。
26
13
6.1 JFET的基本工作原理
4. MESFET
GaAs与Si相比，电子迁移率大5倍，峰值漂移速度大一倍，
所以在GaAs材料制备及其外延和光刻工艺发展成熟之后 ， GaAs-MESFET很快在高频领域内得到了广泛的应用。它在工作
频率、低噪声、高饱和电平、高可靠性等许多方面大大超过了
硅微波双极晶体管。 由于JFET与MESFET在电学特性上相仿，而后者又主要用于高
6.2 JFET的直流特性与低频小信号参数
1. 肖克莱理论和JFET的直流特性
肖克莱(Shockley)1952年关于JFET的理论至今仍是分析JFET 和MESFET各种理论的基础。 JFET在工作时，由于栅源电压和漏源电压同时作用，沟道中 电场、电位、电流分布均为二维分布(如果认为沟道无限宽)，方 程求解非常复杂，肖克莱提出的缓变沟道近似模型很好地简化了 这个问题。 该模型的基本核心点是：
6.2 JFET的直流特性与低频小信号参数
2. JFET的直流参数
夹断电压
阈电压VT
JFET沟道厚度因栅p+-n结耗尽层厚度扩展而变薄，当栅 结上的外加反向偏压 VGS 使p+-n结耗尽层厚度等于沟道 厚度一半(h=a)时，整个沟道被夹断，此时的 VGS 称为 JFET的夹断电压，记为 Vp。
xn xm [ V p0
ID
23
6.2 JFET的直流特性与低频小信号参数
1. 肖克莱理论和JFET的直流特性
V ( y) I n ( y)dy 2Wq n N D [a h( y)] dxn xn
利用边界条件 xn h1
y 0
1
dVt ( y) qND xn ( y ) dxn ( y) 0
G
P+
h1
y
x0
2 0 [VD VGS V ( y)] h( y ) qND
2
x
n In(y) a
h2
S
D
V ( y ) y V ( y ) I n ( y )dy 2Wq n N D [a h( y )] dxn xn I n ( y ) 2Wq n N D [a h( y )]
8
6.1 JFET的基本工作原理
2. JFET的基本工作原理
L L 平衡态沟道电阻： R A qn N D 2(a x0 )W
G
P+
（6-1）
IDS
IDsat
VGS=0 B C
S
n
L
P+
2a
D
A
I'Dsat
VGS<0
G
V'Dsat VDsat
VDS
9
6.1 JFET的基本工作原理
xm xn
变换
2 0 (VD V ) qN D
(1-93b)
(6-3) (6-4)
求导
qN D 2 Vt ( y) xn ( y ) 2 0 dVt ( y) qND xn ( y ) dxn ( y) 0
使耗尽层改变一定厚度所需要的电压改变量随耗尽层厚 度增大而增大，且与耗尽层边界处空间电荷密度成正比。
2
(1)FET具有普通双极晶体管所具有的特点，如体积小，重量轻 (2)FET是一种电压控制器件(通过输入电压的改变按制输出电流， 而双极型晶体管为电流控制器件。 (3)FET的直流输入阻抗很高，一般可达109—1015Ω (4)FET类型多、偏置电压的极性灵活、动态范围大、其各级间可 以采用直接耦合的形式，因而在电路设计中可提供较大的灵活性。 (5)噪声低，因而FET特别适合于要求高灵敏度、低噪声的场合， 如检测各种微弱信号的仪器、仪表、医疗器械等。 (6)热稳定性好。因为FET是一种多子器件，且可有正的、负的及 正负交叉的零温度系数工作点。只要在设计电路时使器件工作在零温 度系数工作点附近，即可消除温度的影响。 (7)抗辐射能力强，这也因为FET是多子器件。这一特点使其持别 适用于航天器等承受强烈核辐射、宇宙射线辐射的装备中。 (8)与双极晶体管相比，制作工序少、工艺简单，有利于提高产 品合格率、降低成本。
频范围。故讨论直流特性以JFwenku.baidu.comT为主，交流特性以MESFET为例。
14
6.1 JFET的基本工作原理
4. MESFET
15
6.1 JFET的基本工作原理
表6-1 JFET和MESFET的电路符号
P沟道 D 耗尽型 G S D 增强型 G G G S D N沟道 D
箭头代表沟 道电流方向 短粗线代表 沟道
6.5 JFET结构举例
1. MESFET
2. JFET 3. V型槽硅功率JFET
5
6.1 JFET的基本工作原理
1. JFET的基本结构
栅极G 源极S 漏极D N沟道 P沟道 增强型 耗尽型
6
6.1 JFET的基本工作原理
1. JFET的基本结构
7
6.1 JFET的基本工作原理
1. JFET的基本结构
24
6.2 JFET的直流特性与低频小信号参数
1. 肖克莱理论和JFET的直流特性
以VDS=VDsat时，h2=a代入所得到的非饱和区电流-电压方程，得
I Dsat
2 2a 3W n q 2 N D 3h12 2h13 [1 2 3 ] 6 0 L a a
V VGS V VGS 3 2 I DSS [1 3( D ) 2( D ) ] V p0 V p0 I DSS V p0
2 2 0 I D G0 VDS 3a qND 其中，G0 2aWq n N D L
V V V 3 V V 3 （6-11） 2 2 D GS D GS DS
（6-12）
根据缓变沟道近似得到的JFET沟道夹断前的电流-电压方程
2. JFET的基本工作原理
10
6.1 JFET的基本工作原理
3. JFET的特性曲线
n沟JFET 输出特性
11
6.1 JFET的基本工作原理
3. JFET的特性曲线
转移特性
12
6.1 JFET的基本工作原理
4. MESFET
MESFET的工作原理和JFET相同，只是用金-半接触取代了PN结
下篇 场效应晶体管
场效应晶体管是区别于结型晶体管的另一大类晶体 管。它通过改变垂直于导电沟道的电场强度来控制沟道 的导电能力，从而调制通过沟道的电流。由于场效应晶
体管的工作电流仅由多数载流子输运，故又称之为“单
极型(场效应)晶体管”
1
根据其结构(主要指栅极结构)和制作工艺，FET可分为三类： (1)结型栅场效应晶体管(缩写JFET)，由于原理上近似，有时也
2 2a 3W n q 2 N D 6 0 L
（6-13）
（6-14）
VGS=VD时
qN D a 2 2 0
（6-15）
VDS=0,h1=h2=a 时栅结上的电压 Vp0=VD-Vp(VGS)
25
（6-13）代表饱和区的电流电压关系 （6-14）IDSS称为最大饱和漏极电流 （6-15）Vp0称为本征夹断电压
5. 四极管特性
9. 温度对直流特性的影响
4
第六章 结型场效应晶体管
6.3 JFET的交流特性
1. 交流小信号等效电路 2. JFET和MESFET中的电容 3. JFET的频率参数
6.4 JFET的功率特性
1. 最大输出功率PM 2. 最大输出电流IF 3. 漏源击穿电压BVDS 4. 热阻Rth
1. 肖克莱理论和JFET的直流特性
VGS G P+ h1 y x n In(y) a a h2
x0
S
D L VDS
a ID
21
6.2 JFET的直流特性与低频小信号参数
1. 肖克莱理论和JFET的直流特性
根据假设(4)，耗尽层中的电位仅与x有关，故可用一维泊松 方程求解，根据式(1-93b)，作用在沟道y处耗尽层上的总电压 (包括外加栅压及接触电势差)与该处空间电荷区宽度 Xn(y)之间 有如下关系：
S
S
16
17
6.2 JFET的直流特性与低频小信号参数 1. 肖克莱理论和JFET的直流特性
2. JFET的直流参数
3. JFET交流小信号参数 4. 非均匀沟道杂质浓度分布 5. 四极管特性 6. 高场迁移率的影响
7. 关于沟道夹断和速度饱和
8. 串联电阻的影响 9. 温度对直流特性的影响
18
22
6.2 JFET的直流特性与低频小信号参数
1. 肖克莱理论和JFET的直流特性
当沟道中不存在载流子浓度梯度时，可由欧姆定律写出：
J n ( y ) n ( y) E y I n ( y ) A( y )q n N D
V ( y ) y
1
A( y) 2[a h( y)]W
(6-4)
; xn h2
yL
积分，并由
1 2 1 2
2 0 [VD VGS V ( y)] h( y ) qND
2
h1 h(0) 2 0 (VD VGS ) qND
h2 h( L) 2 0 (VD VGS VDS ) qND
做栅极。 实际的MESFET是在半绝缘衬底上的外延层上制成的，以减小寄
生电容。
将金属栅极直接做在半导体表面上可以避免表面态的影响。 对于因为有高密度界面态而不能做成MIS器件的材料及很难形
成pn结的材料，均可作成肖特基场效应器件。
一般半导体材料的电子迁移率均大于空穴迁移率，所以高频场 效应管都采用n型沟道型式。
将肖特基栅场效应晶体管--金属-半导体场效应晶体管(缩写MESFET)
划归此类； (2)绝缘栅场效应晶体管(缩写IGFET)
(3)薄膜场效应晶体管(缩写TFT)
结型栅场效应晶体管，其栅极的控制作用是通过反向偏置pn结或 肖特基结来实现的。其导电过程发生在半导体材料的体内，故JFET属 于“体内场效应器件”。绝缘栅场效应晶体管和薄膜场效应晶体管的 导电过程均发生在半导体表面薄层内。故从导电机构的角度看，它们 均属于“表面场效应器件”。无论是“体内的”，还是“表面的”， 它们都具有场效应半导体器件的共同特点：
第六章 结型场效应晶体管
6.1 JFET的基本工作原理
1. JFET的基本结构 2. JFET的基本工作原理 3. JFET的特性曲线 4. MESFET
6.2 JFET的直流特性与低频小信号参数
1. 肖克莱理论和JFET的直流特性 2. JFET的直流参数 3. JFET交流小信号参数 4. 非均匀沟道杂质浓度分布 6. 高场迁移率的影响 7. 关于沟道夹断和速度饱和 8. 串联电阻的影响
①假定沟道中电场、电位和电流分布均可用缓变沟道近似，
(即沿沟道方向缓慢变化) ②认为漏极电流饱和是由于沟道夹断所引起。
19
6.2 JFET的直流特性与低频小信号参数
1. 肖克莱理论和JFET的直流特性
为了分析简单起见做了一些可以修正的假设，其主要假设如 下(以n沟JFET为例)： (1)忽略源接触电极与沟道源端之间、漏接触电极与沟道漏端 之间的电压降； (2)忽略沟道边缘扩展开的耗尽区，源极和漏极之间的电流只 有y分量； (3)p+栅区与n型沟道区杂质浓度NA、ND 都是均匀分布的，且 NA>>ND，即栅结为单边突变结；
(4)栅结耗尽区中沿垂直结平面方向的电场分量 Ex与沿沟道长
度方向使载流子漂移的电场分量Ey无关，且满足 E x
x E y y
，此即缓
变沟道近似(GCA)；（沟道电荷密度远小于耗尽层电荷密度）
(5)载流子迁移率为常数，与沟道中电场强度无关。
20
6.2 JFET的直流特性与低频小信号参数
6.2 JFET的直流特性与低频小信号参数
2. JFET的直流参数
最大饱和漏极电流IDSS
I Dsat
VGS=VD时的漏极电流，又称最大漏 源饱和电流。
2 2a 3W n q 2 N D 3h12 2h13 [1 2 3 ] 6 0 L a a
VD VGS VD VGS 3 2 I DSS [1 3( ) 2( ) ] V p0 V p0 I DSS 2a W n q N 6 0 L
2 0 (VD V p ) qN D
] a
1 2
qN D a 2 VD V p 2 0
N或a越大， Vp 的 绝 对 值 将越大，即沟 道越难夹断。
本征夹断电压 Vp0=VD-Vp表示整个沟道由栅源电压夹断时，栅p夹断电压VP
n结上的电压降，为区别起见，称为本征夹断电压。
26
13
6.1 JFET的基本工作原理
4. MESFET
GaAs与Si相比，电子迁移率大5倍，峰值漂移速度大一倍，
所以在GaAs材料制备及其外延和光刻工艺发展成熟之后 ， GaAs-MESFET很快在高频领域内得到了广泛的应用。它在工作
频率、低噪声、高饱和电平、高可靠性等许多方面大大超过了
硅微波双极晶体管。 由于JFET与MESFET在电学特性上相仿，而后者又主要用于高
6.2 JFET的直流特性与低频小信号参数
1. 肖克莱理论和JFET的直流特性
肖克莱(Shockley)1952年关于JFET的理论至今仍是分析JFET 和MESFET各种理论的基础。 JFET在工作时，由于栅源电压和漏源电压同时作用，沟道中 电场、电位、电流分布均为二维分布(如果认为沟道无限宽)，方 程求解非常复杂，肖克莱提出的缓变沟道近似模型很好地简化了 这个问题。 该模型的基本核心点是：
6.2 JFET的直流特性与低频小信号参数
2. JFET的直流参数
夹断电压
阈电压VT
JFET沟道厚度因栅p+-n结耗尽层厚度扩展而变薄，当栅 结上的外加反向偏压 VGS 使p+-n结耗尽层厚度等于沟道 厚度一半(h=a)时，整个沟道被夹断，此时的 VGS 称为 JFET的夹断电压，记为 Vp。
xn xm [ V p0
ID
23
6.2 JFET的直流特性与低频小信号参数
1. 肖克莱理论和JFET的直流特性
V ( y) I n ( y)dy 2Wq n N D [a h( y)] dxn xn
利用边界条件 xn h1
y 0
1
dVt ( y) qND xn ( y ) dxn ( y) 0
G
P+
h1
y
x0
2 0 [VD VGS V ( y)] h( y ) qND
2
x
n In(y) a
h2
S
D
V ( y ) y V ( y ) I n ( y )dy 2Wq n N D [a h( y )] dxn xn I n ( y ) 2Wq n N D [a h( y )]
8
6.1 JFET的基本工作原理
2. JFET的基本工作原理
L L 平衡态沟道电阻： R A qn N D 2(a x0 )W
G
P+
（6-1）
IDS
IDsat
VGS=0 B C
S
n
L
P+
2a
D
A
I'Dsat
VGS<0
G
V'Dsat VDsat
VDS
9
6.1 JFET的基本工作原理
xm xn
变换
2 0 (VD V ) qN D
(1-93b)
(6-3) (6-4)
求导
qN D 2 Vt ( y) xn ( y ) 2 0 dVt ( y) qND xn ( y ) dxn ( y) 0
使耗尽层改变一定厚度所需要的电压改变量随耗尽层厚 度增大而增大，且与耗尽层边界处空间电荷密度成正比。
2
(1)FET具有普通双极晶体管所具有的特点，如体积小，重量轻 (2)FET是一种电压控制器件(通过输入电压的改变按制输出电流， 而双极型晶体管为电流控制器件。 (3)FET的直流输入阻抗很高，一般可达109—1015Ω (4)FET类型多、偏置电压的极性灵活、动态范围大、其各级间可 以采用直接耦合的形式，因而在电路设计中可提供较大的灵活性。 (5)噪声低，因而FET特别适合于要求高灵敏度、低噪声的场合， 如检测各种微弱信号的仪器、仪表、医疗器械等。 (6)热稳定性好。因为FET是一种多子器件，且可有正的、负的及 正负交叉的零温度系数工作点。只要在设计电路时使器件工作在零温 度系数工作点附近，即可消除温度的影响。 (7)抗辐射能力强，这也因为FET是多子器件。这一特点使其持别 适用于航天器等承受强烈核辐射、宇宙射线辐射的装备中。 (8)与双极晶体管相比，制作工序少、工艺简单，有利于提高产 品合格率、降低成本。
频范围。故讨论直流特性以JFwenku.baidu.comT为主，交流特性以MESFET为例。
14
6.1 JFET的基本工作原理
4. MESFET
15
6.1 JFET的基本工作原理
表6-1 JFET和MESFET的电路符号
P沟道 D 耗尽型 G S D 增强型 G G G S D N沟道 D
箭头代表沟 道电流方向 短粗线代表 沟道
6.5 JFET结构举例
1. MESFET
2. JFET 3. V型槽硅功率JFET
5
6.1 JFET的基本工作原理
1. JFET的基本结构
栅极G 源极S 漏极D N沟道 P沟道 增强型 耗尽型
6
6.1 JFET的基本工作原理
1. JFET的基本结构
7
6.1 JFET的基本工作原理
1. JFET的基本结构
24
6.2 JFET的直流特性与低频小信号参数
1. 肖克莱理论和JFET的直流特性
以VDS=VDsat时，h2=a代入所得到的非饱和区电流-电压方程，得
I Dsat
2 2a 3W n q 2 N D 3h12 2h13 [1 2 3 ] 6 0 L a a
V VGS V VGS 3 2 I DSS [1 3( D ) 2( D ) ] V p0 V p0 I DSS V p0
2 2 0 I D G0 VDS 3a qND 其中，G0 2aWq n N D L
V V V 3 V V 3 （6-11） 2 2 D GS D GS DS
（6-12）
根据缓变沟道近似得到的JFET沟道夹断前的电流-电压方程
2. JFET的基本工作原理
10
6.1 JFET的基本工作原理
3. JFET的特性曲线
n沟JFET 输出特性
11
6.1 JFET的基本工作原理
3. JFET的特性曲线
转移特性
12
6.1 JFET的基本工作原理
4. MESFET
MESFET的工作原理和JFET相同，只是用金-半接触取代了PN结
下篇 场效应晶体管
场效应晶体管是区别于结型晶体管的另一大类晶体 管。它通过改变垂直于导电沟道的电场强度来控制沟道 的导电能力，从而调制通过沟道的电流。由于场效应晶
体管的工作电流仅由多数载流子输运，故又称之为“单
极型(场效应)晶体管”
1
根据其结构(主要指栅极结构)和制作工艺，FET可分为三类： (1)结型栅场效应晶体管(缩写JFET)，由于原理上近似，有时也
2 2a 3W n q 2 N D 6 0 L
（6-13）
（6-14）
VGS=VD时
qN D a 2 2 0
（6-15）
VDS=0,h1=h2=a 时栅结上的电压 Vp0=VD-Vp(VGS)
25
（6-13）代表饱和区的电流电压关系 （6-14）IDSS称为最大饱和漏极电流 （6-15）Vp0称为本征夹断电压
5. 四极管特性
9. 温度对直流特性的影响
4
第六章 结型场效应晶体管
6.3 JFET的交流特性
1. 交流小信号等效电路 2. JFET和MESFET中的电容 3. JFET的频率参数
6.4 JFET的功率特性
1. 最大输出功率PM 2. 最大输出电流IF 3. 漏源击穿电压BVDS 4. 热阻Rth
1. 肖克莱理论和JFET的直流特性
VGS G P+ h1 y x n In(y) a a h2
x0
S
D L VDS
a ID
21
6.2 JFET的直流特性与低频小信号参数
1. 肖克莱理论和JFET的直流特性
根据假设(4)，耗尽层中的电位仅与x有关，故可用一维泊松 方程求解，根据式(1-93b)，作用在沟道y处耗尽层上的总电压 (包括外加栅压及接触电势差)与该处空间电荷区宽度 Xn(y)之间 有如下关系：
S
S
16
17
6.2 JFET的直流特性与低频小信号参数 1. 肖克莱理论和JFET的直流特性
2. JFET的直流参数
3. JFET交流小信号参数 4. 非均匀沟道杂质浓度分布 5. 四极管特性 6. 高场迁移率的影响
7. 关于沟道夹断和速度饱和
8. 串联电阻的影响 9. 温度对直流特性的影响
18
22
6.2 JFET的直流特性与低频小信号参数
1. 肖克莱理论和JFET的直流特性
当沟道中不存在载流子浓度梯度时，可由欧姆定律写出：
J n ( y ) n ( y) E y I n ( y ) A( y )q n N D
V ( y ) y
1
A( y) 2[a h( y)]W
(6-4)
; xn h2
yL
积分，并由
1 2 1 2
2 0 [VD VGS V ( y)] h( y ) qND
2
h1 h(0) 2 0 (VD VGS ) qND
h2 h( L) 2 0 (VD VGS VDS ) qND
做栅极。 实际的MESFET是在半绝缘衬底上的外延层上制成的，以减小寄
生电容。
将金属栅极直接做在半导体表面上可以避免表面态的影响。 对于因为有高密度界面态而不能做成MIS器件的材料及很难形
成pn结的材料，均可作成肖特基场效应器件。
一般半导体材料的电子迁移率均大于空穴迁移率，所以高频场 效应管都采用n型沟道型式。
将肖特基栅场效应晶体管--金属-半导体场效应晶体管(缩写MESFET)
划归此类； (2)绝缘栅场效应晶体管(缩写IGFET)
(3)薄膜场效应晶体管(缩写TFT)
结型栅场效应晶体管，其栅极的控制作用是通过反向偏置pn结或 肖特基结来实现的。其导电过程发生在半导体材料的体内，故JFET属 于“体内场效应器件”。绝缘栅场效应晶体管和薄膜场效应晶体管的 导电过程均发生在半导体表面薄层内。故从导电机构的角度看，它们 均属于“表面场效应器件”。无论是“体内的”，还是“表面的”， 它们都具有场效应半导体器件的共同特点：